Special. Armaturen. Armaturen-Halbjahresbilanz des VDMA 23. Smarte Anbaugeräte als Schlüssel für die integrierte Armatur 24

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22 CHEMIE TECHNIK · September 2016

Special

Armaturen

Wenn es an einem Regelkreis so etwas wie einen Endpunkt gibt, dann könnte man hier am ehesten die Armatur bzw.

deren Stellantrieb sehen. Und schon bevor es den Begriff

„Industrie 4.0“ gab, war der Trend hin zur automatisierten Armatur bereits erkennbar. Mit dem Leitbild des „Internet der Dinge“ gewinnt die Entwicklung weiter an Fahrt. Wird die Armatur nun endgültig zum „Feldgerät“? Zumindest wird die Frage immer wichtiger. In unserem Special werden einige Aspekte dazu beleuchtet. Unter anderem auch der Gedanke, wie die mechanische Komponente als Bestandteil einer PLT- Schutzfunktion nach den Kriterien der Funktionalen Sicher- heit bewertet werden kann.

Armaturen-Halbjahresbilanz des VDMA 23

Smarte Anbaugeräte als Schlüssel für die integrierte Armatur 24

Sensor nimmt Kavitation den Schrecken 28

Kombination von Berstscheiben und Sicherheitsventilen 32

SIL-Nachweis für Armaturen und Antriebe 36

CT-Marktübersicht

SIL für Aktoren 42

Rohrbefestigungen von Kälteleitungen

in Chemieanlagen 46

Chemisch aggressive Flüssigkeiten

und abrasive Feststoffe sicher beherrschen 50

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Bild: Auma / 3dkombinat - fotolia

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Armaturen Special

23

CHEMIE TECHNIK · September 2016

Nachlassender Investitionsboom, Sanktionen, niedriger Ölpreis, Brexit: Im ersten Halbjahr 2016 hatten die deutschen Industriearmatu- ren-Hersteller wenig Anlass zur Freude. Der Umsatz ging insgesamt um nominal 3 % zurück. Besonders das nicht europäische Ausland hinterließ mit 13 % ein dickes Mi- nus in den Büchern. Im Inland und in Euro- pa hingegen verzeichneten die deutschen Industriearmaturen-Hersteller ein Umsatz- plus von 5 %. Der Auftragseingang stagnier- te in den ersten sechs Monaten auf Vorjah- resniveau und lässt für die 2. Jahreshälfte keine deutliche Steigerung der Umsätze er- warten. Vor diesem Hintergrund geht der VDMA Fachverband Armaturen für 2016 bestenfalls von einem Umsatz auf Vorjahres- niveau aus. In den einzelnen vom VDMA statistisch erfassten Produktgruppen entwickelten sich die Umsätze von Januar bis Juni 2016 auf unterschiedlichem Niveau: Die Si- cherheits- und Überwachungsarmaturen verzeichneten ein Umsatzminus von 1 %.

Bei den Absperrarmaturen gingen die Um- sätze nominal um 6 % zurück. Die Regelar- maturen blieben auf Vorjahresniveau.

Exportvolumen geht zurück

Im Zeitraum Januar bis April 2016 erzielten die deutschen Hersteller ein Exportvolumen von 1,1 Mrd. Euro; ein Minus von 5,2 % im Vergleich zum entsprechenden Vorjahres- zeitraum. Lichtblick waren lediglich die Aus- fuhren ins europäische Ausland, insbesondere Tschechien ( 27,8 %), Österreich (12,9 %)

und Frankreich (4,0 %) legten zu. Nach dem Brexit leidet die britische Wirtschaft unter der Unsicherheit über die künftigen Produk- tions- und Absatzbedingungen. Investoren stoppen geplante Projekte oder verschieben diese. Bereits vor der Entscheidung der Bri- ten, die EU zu verlassen, war die Nachfrage von der Insel nach Industriearmaturen aus Deutschland mit 10,7 % rückläufig.

China, USA und Russland schwächeln Nach dem Investitionsboom der vergange- nen Jahre pendelt sich die chinesische Wirt- schaft ein. Die Industrieproduktion wächst nur noch langsam; Wachstumsimpulse kommen vermehrt aus dem Dienstleis- tungssektor und dem privaten Konsum.

Trotz eines Exportrückgangs von 25,3 % (Januar bis April 2016) bleibt China das mit Abstand wichtigste Abnehmerland deut- scher Industriearmaturen-Hersteller. In den USA schlägt zurzeit vor allem die Konsoli- dierung in der Öl- und Gasförderung nega- tiv zu Buche. In anderen Branchen drücken sinkende Unternehmensgewinne, der hohe Dollarkurs und die weiterhin schwache Auslandsnachfrage auf die Stimmung. In- vestitionshemmend wirkt weiter die niedrige Kapazitätsauslastung, die sich mit gut 75 % um fast 5 Prozentpunkte unter ihrem langjährigen Durchschnitt befindet. Viele Unternehmen bleiben daher mit ihren Ex- pansionsplänen zurückhaltend. Die Exporte von Industriearmaturen in die USA gingen in den ersten vier Monaten 2016 um 3,5 %

Armaturen-Halbjahresbilanz 2016 des VDMA

Auf der Suche

nach neuen Märkten

Bild: VIGE.co – Fotolia

Einen Link zum Verband sowie weitere Beiträge zum Thema Armaturen finden Sie unter www.

chemietechnik.de/1607ct908 – einfach den QR-Code scannen.

zurück. Schwierig ist zudem die Marktlage in Russland: Niedrige Rohstoffpreise, rück- läufige Investitionen, klamme Konsumenten – Russland steckt in der Wirtschaftskrise.

Das Absatzvolumen von deutschen Indust- riearmaturen nach Russland brach in den ersten vier Monaten 2016 um 17,1 % ein.

Prognose 2016

Die Weltwirtschaft hat im Frühjahr wieder an Fahrt gewonnen, die Rohstoffpreise haben angezogen. Allerdings ist für den weiteren Verlauf dieses Jahres kein kräftiger Kon- junkturaufschwung in Sicht. Das Votum der Wähler im Vereinigten Königreich für einen Austritt aus der EU hat die wirtschaftliche Unsicherheit in Europa stark erhöht und wird die Konjunktur wohl spürbar dämpfen.

Für die deutschen Industriearmaturen-Her- steller erscheint daher ein Umsatzwachstum auf Vorjahresniveau ambitioniert, aber möglich. Neue Absatzmärkte wie der Iran sollten in den Fokus genommen werden.

Immerhin entwickeln sich die Exporte hier sehr positiv. Die vielen geplanten Großpro- jekte, Erweiterungsinvestitionen und die notwendige Erneuerung der häufig sehr überalterten Industrieanlagen bieten Indus- triearmaturen-Herstellern große Chancen,

so der Verband. [pb]

Die klassischen Abnehmermärkte schwächeln, weshalb deutsche Armaturen-Hersteller derzeit versuchen, sich neu zu orientieren.

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Armaturen

SPECIAL

Intelligent, digital und durchgängig integriert, so soll die Prozessindustrie der Zukunft sein. Dabei reicht es nicht mehr aus, dass Feldgeräte wie Stellungsregler einzeln über Hart, Profibus oder Foundation Fieldbus mit dem Leitsystem oder der Prozessebene kommunizieren. Um alle auf der Feldebene generierten Daten nutzen zu kön- nen, müssen offene Schnittstellen den durchgängigen und standardisierten Datenaustausch von der Feldebene bis zum Asset Management System garantieren können.

Mit dem Wunsch nach durchgängiger Vernetzung rücken neben den primären Aufgaben weitere zusätzli- che Anforderungen an digitale Feldgeräte in den Vor- dergrund. Dass beispielsweise Stellungsregler ihre Re- gelaufgabe verlässlich erfüllen oder Grenzsignalgeber die einstellbaren Grenzen genauestens anzeigen, ist zu einer Selbstverständlichkeit geworden. Im Mittelpunkt stehen die für die Digitalisierung wichtigen Daten. Sie

müssen gesammelt, analysiert, gespeichert und über- mittelt werden.

Ein mit Diagnosefunktion ausgestatteter Stellungs- regler ist in der Lage, direkt erfassbare Größen wie Sollwert, Istwert, Regeldifferenz und Antriebsdruck kontinuierlich aufzuzeichnen und kritische Zustände sowie Anzeichen für Verschleißerscheinungen am Ven- til zu melden. Zusätzliche Testfunktionen können die Diagnose erhärten und weiterführende Fehlzustände diagnostizieren. Dabei nimmt die erfassbare Daten- menge mit der Anzahl der im Stellungsregler integrier- ten Funktionen zu. Es ist einleuchtend, dass Ereignisse wie das Auslösen eines Magnetventils oder das Errei- chen von Grenzwerten einfacher registriert werden können, wenn die Magnetventil- und Grenzsignalge- berfunktion Bestandteile des Stellungsreglers sind. Die Datenerfassung, ihre Speicherung und ihre direkte Be-

Smarte Anbaugeräte als Schlüssel für die integrierte Armatur

Integrierte Armaturen

machen Diagnosedaten nutzbar

Peter Arzbach, Technischer Vertrieb, Samson

Die Autoren:

Monika Schneider, Technische Doku- mentation, Samson

PROFI-GUIDE Branche Anlagenbau ● ●

ENTSCHEIDER-FACTS

Für Betreiber

● Die voranschreitende Digitalisierung und Integration der Armaturen trägt maßgeblich zu einer verbesserten Anlagenverfügbarkeit bei.

● Um die von Stellungsreglern generierten Daten nutzen zu können, müssen offene Schnittstellen den standardisierten Datenaustausch von der Feldebene bis zum Asset-Management-System ermöglichen.

● Die FDI-Technologie stellt einen ganzheitlichen standardisierten Ansatz zur Geräteintegration dar.

Chemie ● ● ●

Pharma ● ● ●

Ausrüster ● ●

Funktion

Planer ● ●

Betreiber ● ● ●

Einkäufer ●

Manager ●

1: Die voranschreitende Digitalisierung und Integration der Armaturen trägt maßgeblich zu einer verbesserten Anlagenverfügbarkeit bei.

1

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Bild: vege – Fotolia / Samson

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Armaturen

SPECIAL

wertung sind dabei nur der erste Schritt. Eine große Rolle bei ihrer Nutzung spielen aber auch die Informa- tionsübertragung an das Leitsystem und das ange- schlossene Asset-Management-System.

Für die Datenübertragung zu diesen Systemen werden aktuell noch die gängigen Kommunikationsproto- kolle Hart, Profibus und Foundation Fieldbus genutzt.

Zur Geräteintegration existieren mit EDDL und FDT/

DTM im Wesentlichen zwei unterschiedliche Integrati- onsmethoden, die in verschiedenen herstellerspezifi- schen Ausprägungen erhältlich sind. Aber Feldgeräte können nur dann optimal in ein Leitsystem integriert werden, wenn ihre Integrationsmethode von dem ein-

gesetzten Leitsystem vollumfassend unterstützt wird.

Über die Zeit haben sich zudem unterschiedlichste Leitsysteme auf dem Markt etabliert, was zu einem er- höhten Aufwand auf Hersteller- und Anwenderseite geführt hat: Während der Hersteller Geräteintegratio- nen basierend auf EDDL und FDT/DTM für verschiedene herstellerspezifische Leitsystemausprägungen vorhalten muss, wachsen auf Anwenderseite die Auf- wendungen für Verwaltung und Know-how-Erwerb.

FDI: Interoperabilität

vereinfacht Feldgeräteintegration

Eine Verbesserung der beschriebenen Situation stellt die FDI-Technologie in Aussicht, die einen ganzheitlichen standardisierten Ansatz zur Geräteintegration verfolgt.

Basis ist das FDI Device Package, mit dem der Geräte- hersteller nur noch eine zertifizierte Integrationsdatei je Feldgerät zur Verfügung stellt. Das FDI Device Package

besteht aus drei Komponenten: Die EDD ist eine Datei mit den Gerätefunktionen, bestehend aus Device Defini- tion, Business Logic und User Interface. Das User-Inter- face-Plugin, kurz UIP bietet die Möglichkeit, frei pro- grammierbare Applikationen zu integrieren. In den Anhängen sind beispielsweise Betriebsanleitungen, Da- tenblätter und Zertifikate, aber auch die Gerätestamm- daten (GSD) bei Geräten mit Profibus-Kommunikation enthalten.

Das FDI Device Package stellt somit sicher, dass es zu einem Feldgerät genau eine Integrationsdatei gibt und dies jeweils für die Protokolle Hart, Profibus und Foundation Fieldbus. Ein weiterer Vorteil von FDI ist die Unterstützung des OPC-UA-Standards, der die Datenbereitstellung zu weiteren Sys- temen wie z. B. Asset-Management-Syste- men herstellerunabhängig ermöglicht.

Asset-Management-Systeme können die Di- agnosedaten aller in der Anlage befindlichen Messstellen nicht nur dokumentieren, sondern auch in einem weiterführenden Kon- text bewerten, wodurch neben der Historie jedes Ven- tils auch proaktive Wartungsansätze unterstützt werden. So können kritische Messstellen identifiziert und in der Folge Instandhaltungsarbeiten flexibel geplant werden. Die Nutzung dieser Möglichkeiten ohne FDI führt nicht selten dazu, dass neben dem Kommunikati- onsstrang zum Leitsystem ein zweiter Strang zum Asset-Management-System eingerichtet werden muss.

Dies führt zu einem erhöhten Aufwand auf Anwender- seite, der durch Nutzung von FDI und der offenen OPC-UA-Schnittstelle vermieden werden kann.

FDI zur vorausschauenden Wartung von Stellventilen

Auf dem Kongress Automation in Baden-Baden demonstrierte Samson im Juni dieses Jahres die beschriebene Nutzung von FDI zur vorausschauenden Wartung von Stellventilen. Der gezeigte Aufbau wurde zusammen

Mit der standardisierten Datenaustauschmethode, die die FDI-Technologie bietet, und der offenen OPC-UA-Schnittstelle sind die ersten Schritte in Richtung Effizienzsteigerung gemacht.

FDI Device Package

EDD

(Basis-Integration) User Interface Plugin

UIP (optional) Anhänge

2

Prinzipieller Aufbau eines FDI Device Package.

Auf dem Kongress Auto- mation in Baden-Baden demonstrierte Samson im Juni dieses Jahres die beschriebene Nut- zung von FDI zur vorausschauenden War- tung von Stellventilen.

2 3

Device Definition (DEF), Business Logic (BL), User Interface Description (UID)

Programmed User Interface, Device Applications

z. B. Betriebsanleitungen, Zertifikate, protokollspezifische Dateien

Bilder: Samson

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Weitere CT-Beiträge zum Thema FDI finden Sie unter www.chemietechnik.de/1609ct613 oder per QR-Code.

mit dem von Prof. Dr.-Ing. Daniel Großmann geleiteten Be- reich Computer Science and Data Processing der Techni- schen Hochschule Ingolstadt entworfen. Dabei wird ein dia- gnosefähiger Stellungsregler mit einem FDI Device Package in den FDI-Server integriert und das Informationsmodell des enthaltenen OPC-UA-Servers entsprechend erstellt.

Über einen OPC-UA-Client greift dann das herstellereigene Asset-Management-System Trovis Solution auf die entsprechenden Daten des Stellungsreglers zu. In dem System werden die Daten aller angeschlossenen Stellungsregler mess- stellenbezogen analysiert und gespeichert. Anhand einer Langzeitbeobachtung kann das Asset-Management-System Vorhersagen zum Funktionsvorrat der Ventile machen und praxisnahe Handlungsempfehlungen für kritische und auf- fällige Ventile geben.

Die voranschreitende Digitalisierung und Integration der Armaturen trägt maßgeblich zu einer verbesserten An- lagenverfügbarkeit bei. Beim Austausch großer Datenmen- gen stoßen die heute eingesetzten Kommunikationsproto- kolle aber an ihre Grenzen. Eine weitere Performancesteige- rung kann zukünftig durch den Einzug von Industrial Ethernet in der Feldebene erreicht werden. Mit zusätzlichen Bestrebungen, die horizontale Kommunikation in allen Ebenen zu ermöglichen, wären wichtige Hürden für den Einstieg in Industrie 4.0 genommen. Eine Vernetzung der Feldgeräte untereinander wird dazu beitragen, in der Feld- ebene gewonnene Daten zu plausibilisieren und die Quali- tät der Analyseaussagen zu optimieren. Weiter in die Zu- kunft gedacht, bietet die Vernetzung einzelner Asset-Ma- nagement-Systeme untereinander den Ausblick auf eine zunehmende Effizienzsteigerung in der Prozessindustrie.

Mit der standardisierten Datenaustauschmethode, die die FDI-Technologie bietet, und der offenen OPC-UA-Schnitt- stelle sind die ersten Schritte in diese Richtung gemacht. ^●

Leitsystem

Remote I/0

Assessment- Management-System OPC UA

Feldbus FDI Client

FDI Server

3

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2016

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Unberechenbare Gegner bereiten mitunter die größten Schwierigkeiten. So ist es denn auch mit der Kavitation – eine der lästigsten und gravierendsten Störungen im Anlagenbetrieb. Besonders bei neuen Anlagen, Modifi- kationen oder sich ändernden Prozessparametern häu- fen sich Kavitationsprobleme. Denn die Bandbreite der zu beachtenden Wirkungszusammenhänge, die lokale Verdampfung begünstigen, ist enorm. Neben den wesentlichen Betriebsparametern und Medieneigenschaf- ten spielen auch sich im Zeitablauf verändernde Kennli- nien der verwendeten Komponenten eine Rolle (beispielsweise Oberflächenrauheit). So ist es nicht verwun- derlich, dass es in Folge von Fehlauslegung oder Fehlbedienung immer wieder zu Kavitationsproblemen kommt. Betroffen sind oftmals Absperr- und Regelar- maturen aufgrund hoher Differenzdrücke beziehungsweise Strömungsgeschwindigkeiten. Besonders anfällige Situationen sind Ventile beim Anfahren, Absperrklap- pen, die als Regelarmatur zum Einsatz kommen, Ab- sperrschieber, die nicht vollständig geschlossen sind,

Einlaufdüsen für Saugleitungen, die in ihrem Einström- feld Luft ziehende Wirbel induzieren oder Ringkolben- ventile bei zu niedrigem Rückdruck.

Auswirkungen von Kavitation

Noch unberechenbarer als ihr Auftreten sind Form und Wirkung der Kavitation. Dabei führen bereits kleine Änderungen am Arbeitspunkt zu deutlichen Verände- rungen. Entscheidend für die erosive Schädigungswir- kung an strömungsführenden Bauteilen sind besonders die sich ausbildenden Blasengrößen, die Wandnähe der Kollapse und der verwendete Werkstoff. Wandnah im- plodierende Kavitationsbläschen entladen sich als Microjets, die sich stecknadelartig ins Material einhäm- mern. Das Ergebnis ist die bekannte Kavitationserosion die mit fortschreitendem, kraterförmigem Abbau der Wanddicke fatale Störungen und Ausfälle herbeiführt.

Insbesondere bei metallischen Werkstoffen entwickelt sich ein gegenseitig verstärkendes Zusammenspiel aus Erosion und Korrosion.

Sensor nimmt Kavitation den Schrecken

Kenne deinen Gegner

Der Autor:

Deniz Ertogrul, Geschäftsführer und Mitgründer von PD2M

Profi-Guide Branche Anlagenbau ●

entscheider-fActs

Für Betreiber

●

● Kavitation ist ein Phänomen, mit dem viele Betreiber zu kämpfen haben. Die größte Herausforderung ist es dabei, die Schädigungswirkung festzustellen und dieser gegenzuwirken, bevor es zu starkem Materialabtrag bis hin zum Ausfall kommt.

●

● Mit der nun vorgestellten Lösung ist es erstmals möglich, Sensoren direkt im Kavitationsgebiet zu platzieren und hierdurch eine unmittelbare Rückmeldung über die auf das Material wirkenden Kräfte zu erhalten.

●

● Als Ergebnis steht eine verbesserte Prozesskenntnis, die als Basis für Anlagen-Optimierungen dienen kann.

Chemie ●●●●●

Pharma ●●●●●

Ausrüster

Funktion

Planer ●●●●●

Betreiber ●●●●●

Einkäufer Manager

Armaturen

Special

CT_2016_09_28_Aufsatz_pd2m.indd 28 26.08.2016 10:51:46

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Planer und Betreiber in der Defensive

Diese Unberechenbarkeit verleiht dem Problem seinen Schrecken und zwingt Anlagenbetreiber in die Defensi- ve. Die Planungs- und Handlungsunsicherheiten über- tragen sich auf die Kosten beim Bau und Betrieb einer Anlage. Man denke hier etwa an die Problematik des Ermittelns und Einhaltens zulässiger Druckverluste oder Haltedruckhöhen, die oftmals mit Schätzungen und hohen Infrastrukturkosten verbunden sind. Um Zulaufhö- hen oder Rückdrücke zur Verfügung zu stellen, entsteht enormer Aufwand in Planung, Umsetzung und späte- rem Betrieb (beispielsweise Gerüste, Gruben, zusätzliche Druckstufen usw.). Zunehmende Komplexität der Infra- struktur, überdimensionierte Komponenten, Redundan-

zen und Sicherheitsabstände gehen zu Lasten der Pro- zess- und Ressourceneffizienz. Dabei hilft es Betreibern kaum, dass das schiere Auftreten von Kavitation eigent- lich sehr gut zu detektieren ist – über vorliegende Schä- digungswirkungen jedoch völlige Unklarheit herrscht.

Auch ist es nicht hilfreich, dass sich Kennlinien fabrik- neuer Komponenten innerhalb kürzester Zeit verän- dern. Im Kontext eines auf Anlagenverfügbarkeit und Rentabilität gerichteten Asset-Managements legt dieses Maß an Unsicherheit, wie oben beschrieben, enorme Effizienzpotenziale brach.

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Die Unberechenbarkeit verleiht Kavitation ihren Schrecken und zwingt Anlagenbetreiber in die Defensive.

Der kompakte Sensor integriert Ladungsverstärkung, Signalver-

arbeitung und optional auch einen Digitalausgang.

1

Bild: rcfotostock – Fotolia

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Armaturen

Special

Regel-Eingriff:

z. B. Volumenstrom- Minderung

Zeit Neue Prozessanforderung:

z. B. höherer Volumenstrom

Kontrollierte Kavitation

Mech. Leistung (MW)

Schwellenwert 2

Schwellenwert 1

Warnung!

Eingriff erforderlich!

Fehler!

Druckabfall in der Anlage

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Kavitation den Schrecken nehmen

Cavisense nimmt dem Kavitationsproblem seinen Schrecken. Der von PD2M, einem Spin-off der TU Darmstadt, entwickelte Sensor kann Kavitation nicht nur detektieren, sondern liefert Rückmeldung über den auftretenden Verschleiß an betroffenen Komponenten.

Für den Betreiber werden auftretende Kavitationsstö- rungen und etwaige Auswirkungen auf die Anlage völlig transparent. Dadurch entstehen Stellpotenziale und Handlungsspielräume für einen optimierten Anlagenbe- trieb. Das Handlungspotenzial erschöpft sich nicht nur darin, kavitationsbedingte Ausfälle durch effektive Überwachung und zustandsbasierte Wartung zu vermeiden. Über entsprechende Regelansätze lassen sich Kavi- tationsschäden gänzlich vermeiden oder eine kontrollierte Nutzung von Grenzbereichen mit gering schädli- chen Kavitationszuständen erreichen. Der Nutzen für Betreiber stellt sich dar wie folgt:

●

● variable Prozessanforderungen sicher im Griff behal- ten,

●

● Schutzmechanismus bei unvorhersehbaren Störein- flüssen oder Fehlern aus Planungsunsicherheiten,

●

● Redundanzen und Überdimensionierung abbauen,

●

● Beanspruchung einer Komponente unter Kavitation kennen, um Wartungs- und Revisionszyklen zu optimieren,

●

● kontrollierter Umgang mit detektierten Kavitations- vorgängen (beispielsweise Zulassen unschädlicher Kavi- tation zugunsten von Prozessanforderungen),

●

● Infrastrukturkosten für Gruben, Gerüste oder Stell- flächen für überdimensionierte und redundante Systeme senken.

Einfache Lösung

Bei der Lösung handelt es sich um einen Sensor, der in einer kleinen Schraube mit Standard-M14X1-Gewinde steckt. Hierdurch kann ihn der Anwender von außen durch ein durchgängiges Gewinde an den Messort einschrauben. Die Stirnfläche des Sensors sitzt sodann bündig zur umströmten Innenwand, beispielsweise am Austritt eines Ventils oder dem Saugbereich einer Pum- pe. Der Sensor ist somit direkt im Kavitationsgebiet platziert, sodass er jederzeit die im Betrieb auf ihn ein- wirkende Kavitationsbeanspruchung, ausgedrückt in mechanischer Leistung, wiedergibt. Der Sensor integriert sich über ein handelsübliches Kommunikations- Gateway direkt an die übergeordnete Prozessleitung oder das Asset-Management. Anwender können etwa verschiedene Schwellwerte definieren, um tolerierbare oder kritische Betriebsbereiche abzugrenzen und entsprechende Warnungen oder Handlungen abzuleiten.

Auch ist es möglich, das Signal innerhalb der Hydraulik für Zwecke integrierter Diagnose beziehungsweise Rege- lung zu verarbeiten. Die vom Sensor ausgegebene mechanische Leistung ist ein Maß für die durch Kavitation aufgebrachte Aufprallenergie pro Zeit am Messort. Dar- aus lassen sich direkte Rückschlüsse auf die mechanische Beanspruchung beispielsweise die fortschreitende Zer- störung etwa einer Bauteilwand ziehen. Besonders die wandnahen Kollapsereignisse erreichen den Sensor als konzentrierte, hochfrequente Energieimpulse. Aus kon- ventionellen Druck- oder Schallmessungen lassen sich derartige Schlüsse auf wirkende Materialbeanspruchun- gen nicht ableiten. Demgegenüber bringen Kavitations- vorgänge, die sich vornehmlich innerhalb der Strömung konzentrieren, kaum erosive Schädigungsenergie auf.

Der Großteil der Energie wird hier in Wärme beziehungsweise Bauteilschwingungen umgesetzt. ^● Der Sensor misst und verarbeitet einen

physikalischen Effekt mit hoher Dynamik und komprimiert die Messdaten zu einer aussagekräftigen, leicht verarbeitbaren Kenngröße für den Verschleiß an einer Kom- ponente. Mit einer internen Messbandbreite von 200 MHz übertrifft das System in seiner Funktion ausgewachsene Labormesstech- nik. Die zugrunde liegende Physik stellt

enorme Anforderungen, insbesondere an Sensorik und Elektronik. Den Sensor teste- ten die Entwickler bereits unter verschiedenen Bedingungen in Versuchsanlagen. Der- zeit sucht das Unternehmen den Austausch mit interessierten Planern und Betreibern. In Probemessungen möchte das Team die Vorteile für einen optimierten Anlagebetrieb demonstrieren.

Auf dem Weg in die Praxis

zur technik

2: Den Sensor kann der Anwender am Messort einschrauben.

3: Über die Messung der kavitations- bedingten Beanspru- chung der Komponente können kontrollierte Eingriffe in den Pro- zess erfolgen.

Bilder: PD2M

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Viega Megapress-Einpressanschluss

Bestleistung: unter 2 Minuten und ganz ohne Schweißen.

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Direkter Anschluss in unter zwei Minuten

Für das nachträgliche Einbringen eines Anschlusses – zum Beispiel für ein Thermometer – in bestehende Stahlrohr-Installationen bietet Viega mit dem Megapress-Einpressanschluss einen echten Problemlöser. Das Rohr wird einfach angebohrt und der Einpressanschluss mittels einer vorhandenen Viega Pressmaschine direkt eingepresst. Die Leitung muss dafür nicht einmal komplett entleert werden. Gegenüber herkömmlichen Anschweißmuffen ergibt sich eine Zeit- ersparnis von bis zu 80 % und die Brandgefahr entfällt völlig. Damit ist schnelles und sicheres Arbeiten garantiert. Selbstverständlich ist der Einpressanschluss mehrfach geprüft und vom TÜV sowie dem DNV / GL zugelassen.

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Armaturen

Special

Leben ist besser als Wohnen, sagt ein schwedisches Möbelhaus. Zwar haben Industrieanlagen meist wenig Wohnliches, aber Leben ist dort allemal. Damit dieses auch ausreichend geschützt ist, spielen Sicherheitsein- richtungen zur Druckentlastung eine wesentliche Rol- le. Sicherheitsventile sind dabei etwas weiter verbreitet als Berstscheiben. Ein Grund dafür ist die Verarbeitung von unkritischen Medien. Kommen aber zum Beispiel klebrige oder polymerisierende Medien zum Einsatz, droht ein Verkleben des Ventilhubs, wodurch das Si- cherheitsventil beim definierten Druck nicht mehr öffnet. Ist die richtige Berstscheibe ausgewählt, kann das nicht passieren. Darum lohnt es sich oft, beide Konzepte zu berücksichtigen – nebeneinander, falls Reaktionen besonders schnell und unkontrolliert von- statten gehen, oder hintereinander geschaltet, etwa bei klebrigen Medien.

Berstscheiben und Sicherheitsventile

Öffnest du schon

oder klebst du noch?

Der Autor:

Dr.-Ing. Stefan Rüsenberg, Team Leader Technical Sales, Rembe Safety + Control

Profi-Guide Branche Anlagenbau ● ● ●

entscheider-facts

Für Anlagenbauer und Betreiber

● Sicherheitsventile und Berstscheiben als Maßnahmen zur Druckentlastung gelten in der Regel als Alternativen zueinander. Die Kombination beider Methoden bringt jedoch viele Vorteile.

● Eine Berstscheibe kann ein Sicherheitsventil vor Beeinträchtigung durch Prozessmedien schützen. Für das Ventil sind dann weniger widerstandsfähige und damit günstigere Materialien notwendig.

● Eine zuverlässig dichtende Berstscheibe ermöglicht die Inspektion und Instandhaltung des nachgeschalteten Sicherheitsventils im laufenden Prozess, was Stillstandszeiten vermeidet.

Chemie ● ● ●

Pharma ● ●

Ausrüster ● ● ●

Funktion

Planer ● ● ●

Betreiber ● ● ● Einkäufer ● ● Manager

Bilder: Rembe GmbH Safety + Control, Leser GmbH

Warum diese Kombination?

Wie bei einem Sicherheitsventil besteht auch die Aufga- be einer Berstscheibe darin, bei einem definierten Druck zu öffnen und damit unzulässigen Über- oder Unter- druck innerhalb eines Prozesses zu verringern. Dabei handelt es sich um eine nicht wieder schließende Sicher- heitseinrichtung, die nach dem Ansprechen ausge- tauscht werden muss. Sicherheitsventile haben dagegen einen unschlagbaren Vorteil: Nach dem Entlasten des unzulässigen Drucks schließt das Ventil umgehend, und je nach Anwendung kann die Produktion ohne Verzöge- rung fortgesetzt werden. Doch wo Licht ist, ist auch Schatten: Hoher Aufwand für die Anschaffung und re- gelmäßige Wartung oder teure Materialien zur Herstel- lung des Sicherheitsventils aufgrund von strengen Vor- gaben, z. B. innerhalb der TA Luft, schlagen Betreibern leicht auf den Magen.

1: Fragmentationsfreie Berstscheiben (hier die KUB V) stellen die Funktionsfähigkeit des Sicher- heitsventils auch nach dem Ansprechen sicher.

2: Die glatte Wölbung der Berstscheibe ist dem Prozess zugewandt, verhindert Anbackungen und schützt das Berstelement.

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Schön wäre darum eine Möglichkeit, günstigere Si- cherheitsventile aus preiswerteren Materialien einsetzen zu können und dennoch die Sicherheitsvorgaben zu er- füllen. Auch erstrebenswert wären In-Situ-Tests, also eine Wartung und Funktionsprüfung des Sicherheits- ventils ohne vorherigen Ausbau. Wäre? Es ist bereits- möglich und bei vielen Anwendern bereits erfolgreich im Einsatz: Hochwertige, speziell für die Kombination mit Sicherheitsventilen entwickelte Berstscheiben erlauben die Nutzung aller Vorteile eines Sicherheitsventils und gleichen dabei die möglichen Nachteile von Sicher- heitsventilen wie hohe Kosten für Beschaffung und In- standhaltung perfekt aus, versprechen die Techniker von Rembe Safety + Control.

Tropft nicht, klebt nicht, bleibt stabil

Toxische und wertvolle Medien sollen während eines Prozesses nicht austreten und verloren gehen. Eine hochwertige Berstscheibe erfüllt genau diesen Anspruch und ermöglicht eine dauerhaft leckagefreie Absiche- rung. Dem Sicherheitsventil vorgeschaltet, erhöhen Berstscheiben die Dichtigkeit, was wegen bestehender Regularien, Gesetze und Richtlinien ein wesentlicher Faktor für Betreiber ist. Zudem ist der Austausch einer Berstscheibe im Vergleich zu einem Sicherheitsventil wesentlich günstiger.

Jeder betroffene Betreiber kennt außerdem folgendes Problem: Klebrige, polymerisierende oder zähflüssige Medien beeinträchtigen die Funktion und Zuverlässig- keit von Sicherheitseinrichtungen mehr oder weniger stark. Das gilt auch für Sicherheitsventile. Ist der Ventil- sitz verklebt, kann der definierte Ansprechdruck nicht mehr garantiert werden. Dieses Risiko besteht bereits vor dem ersten Ansprechen des Sicherheitsventils. Des- halb sind Reinigungen und Inspektionen in kurzen Ab- ständen notwendig, um im Ernstfall das Ansprechen des Sicherheitsventils bei vorgesehenem Druck zu gewähr- leisten. Ist eine Berstscheibe dem Sicherheitsventil vorgeschaltet, verhindert sie Anbackungen und Verklebun- gen. Dies verlängert Wartungsintervalle und Reini- gungszyklen des Sicherheitsventils, und notwendige Reinigungen sind einfacher durchzuführen.

Die Eigenschaften einer speziell für die Kombination mit Sicherheitsventilen entwickelten Berstscheibe ver- deutlicht das Modell KUB V von Rembe: Die dem Pro- zess zugewandte, glatte Metall oberfläche zeigt keine Ka- vitäten, verhindert jegliches Anhaften und erlaubt auch

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Das Arbeitsdruckverhältnis be- schreibt das Verhältnis zwischen dem Arbeitsdruck der Anlage im Nor- malbetrieb und dem minimalen

Druck, bei dem die Einrichtung zur Druckabsicherung (z. B. Berstschei- be) anspricht. Die Angabe erfolgt immer in Prozent.

Arbeitsdruckverhältnis

zur technik

Speziell für die Kombination mit Sicherheitsventilen entwickelte Berstscheiben ermöglichen die Nutzung aller Vorteile eines Sicherheitsventils und gleichen da- bei die möglichen Nachteile aus.

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Armaturen

Special

Weitere Informationen über Berstscheiben und einen Link zum Anbieter finden Sie auf www.chemietechnik.de/1609ct615 – oder schnell und einfach über den QR-Code.

4: Lohnenswerte Kom- bination: Berstscheibe und Sicherheitsventil ergänzen sich in ihren Aufgaben.

3: Ein Blick ins Innere:

eine Berstscheibe im passenden Halter mit leckagefreier Metall- auf-Metall-Dichtung direkt an der Eintritts- seite eines Sicher- heitsventils.

den Einsatz bei sterilen und aseptischen Anforderungen.

Die Knickstäbe, also die Sollbruchstellen der Berstschei- be, sind ebenso wie das Sicherheitsventil vor dem Pro- zessmedium geschützt. Die Metall-auf-Metall Dichtung ist metallisch dichtend und gewährleistet sehr niedrige Leckageraten. Die Beibehaltung des Berst- und An- sprechdrucks ist sichergestellt; der vorhandene Totraum wird gleichzeitig reduziert. Auch bei Medien mit Fest- stoffanteilen verhindert die vorgeschaltete Berstscheibe ein Verkeilen von Partikeln im Ventilsitz.

Eine der größten Kraftstoffraffinerien Deutschlands mit einem Output von mehr als 14 Mio. t pro Jahr setzt bereits auf die Kombination Berstscheibe und Sicher- heitsventil: Da das Rohöl von Natur aus Fremdpartikel enthält, die die Funktionsfähigkeit des Sicherheitsventils beeinträchtigen, wurden alle Sicherheitsventile nach- träglich mit Berstscheibe ausgestattet. Die Wartungsin- tervalle verlängerten sich so um das Dreifache.

Berstscheibe ersetzt Ventilauskleidung

Bei Einsatz von korrosiven Medien verspricht die Kom- bination aus Berstscheibe und Sicherheitsventil ebenfalls einen wirtschaftlichen Vorteil für den Betreiber. Werden zum Schutz vor unzulässigen Drücken Sicherheitsventile eingesetzt, stehen diese im Kontakt zum korrosiven Me- dium. Demnach müssen Sicherheitsventile ausgekleidet sein oder aus teuren Materialien wie Hastelloy bestehen.

Eine Kombination aus Berstscheibe und Sicherheits- ventil ist eine günstige Alternative: Die Berstscheibe als produktberührende Druckentlastungseinrichtung wird aus einem korrosionsbeständigen Material gefertigt,

das Sicherheitsventil ist nur im Ansprechfall der Berstscheibe mit dem Medium in Berührung. Das ermöglicht die Herstellung des Sicherheitsventils aus weniger korrosionsbeständigen und damit günstige- ren Materialien. Dadurch kann eine Kombination aus Berstscheibe und Sicherheitsventil günstiger sein als der alleinige Einsatz eines Ventils, und zwar nicht nur in der Anschaffung. Bei richtiger Auswahl und Fertigung ist die Kombination aus Berst-

scheibe und Sicherheitsventil für Flüssigkeiten, Gase oder zweiphasige Medien gleichermaßen geeignet.

Um die Funktionsfähigkeit eines Sicherheits- ventils zu überprüfen, sind In-Situ-Tests eine res- sourcenschonende und kostensparende Mög- lichkeit. Doch was genau passiert bei einem In-Situ-Test? Der Raum zwischen Berstschei- be und Sicherheitsventil wird bis zum Ansprechen des Sicherheitsventils mit Druck beaufschlagt. Der Ausbau des Ventils ist nicht mehr erforderlich, was ei-

nen sonst üblichen Produktionsstillstand vermeiden kann. Der Betreiber spart damit Zeit und Geld. Speziell für die Kombination mit Sicherheitsventilen entwickelte Berstscheiben weisen für solche Tests eine besonders hohe Rückdruck-Belastbarkeit auf.

Mit Abstand sicherer

Einige gängige Normen wie die DIN EN ISO 4126-3 oder die AD2000-Merkblätter A1 und A2 behandeln die Kombination aus Berstscheibe und Sicherheitsventil.

Um eine reibungslose Funktion des Sicherheitsventils durch die Berstscheibe zu gewährleisten, empfiehlt sich der Einsatz fragmentationsfreier Berstscheiben. Dies verhindert das Abstoßen von Fragmenten beim Bersten und stellt sicher, dass keine Fragmente das Sicherheits- ventil beeinträchtigen. Bei fragmentierenden Berstschei- ben sind zu diesem Zweck geeignete Maßnahmen wie Fangkörbe erforderlich.

Ein entscheidender Faktor ist zudem der Abstand zwischen Berstsicherung und Sicherheitsventil. Einer- seits sollte dieser möglichst kurz sein, um den Druckver- lust durch eine mögliche Rohrleitung auf ein Minimum zu reduzieren. Andererseits ist der Abstand so groß zu wählen, dass ein zuverlässiges Öffnen der Bersteinrich- tung sichergestellt ist. Jedoch ist zu beachten, dass der gesamte Druck bis zum Eintritt des Sicherheitsventils inklusive der Berstscheibe bei weniger als 3 % des An- sprechdrucks des Ventils liegen muss. Verschiedene Pa- rameter wie Durchmesser und Länge der Eintritts- Rohrleitung oder Reibungsverlust durch die Rauigkeit der Rohrleitung können den Druckverlust beeinflussen.

Um eine Druckänderung im Zwischenraum von Berstscheibe und Sicherheitsventil zu erkennen, ist zudem eine besondere Einrichtung wie ein freier Abzug, ein Alarmmanometer oder eine Entspannungs-Ventil- einheit notwendig. Ein möglicher Gegendruck im Zwi- schenraum beeinflusst den Ansprechdruck der Berstsi- cherung und des Sicherheitsventils und damit die zuver- lässige Funktion der Druckentlastungseinrichtung. Eine Entspannungs-Ventileinheit mit angeschlossenem Druckschalter kann unzulässigem Druckaufbau im Zwi- schenraum entgegenwirken und so dieses Problem lö- sen. Beim Ansprechen der Berstscheibe schließt das Entspannungsventil und der Druckschalter signalisiert das Ansprechen.

Des Weiteren ist die Kombination in ihrer Anord- nung flexibel: So lassen sich Druckentlastungseinrich- tungen nicht nur vor-, sondern auch parallel schalten.

Das Sicherheitsventil sichert dann die üblichen Betriebs- drücke ab, und die Berstscheibe spricht nur bei Versagen des Sicherheitsventils oder der Durchsatzleitung an, um das Produkt bzw. den Druck abzuführen.

Fazit: Berstscheiben verlängern die Lebensdauer von Sicherheitsventilen, dichten die Entlastungseinrichtung zuverlässig ab und reduzieren die Kosten für Anschaf- fung und Instandhaltung. Das Sicherheitsventil wieder- um schließt nach dem Entlasten des unzulässigen Über-

drucks die Entlastungsöffnung. ^●

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Produkte

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Kegelausführung öffnet erst nach Anschluss des Messgeräts mittels entsprechender Adapter und Schläuche. Die Messkupplungen werden in der Fertigung nach Einsetzen der Ventilkomponenten und Dichtungen nicht vercrimpt, sondern mit einem Einschraubnippel verschlossen. Diese Bau- weise erhöht die Präzision und Prozesssicherheit während der Produktion. Sie sichert außerdem die ordnungsgemäße Funktion der Kupplung unter dauerhafter Belastung. Zu den weiteren Vorteilen zählt die Vibrationssicherung, die ein selbsttätiges Lösen der Metallschutzkappe bei Schwingungen in der Anlage verhindert. Die korrosionsbeständige Zink/Nickel-Oberfläche der Messkupplungen aus Stahl entspricht DIN EN ISO 9227. Die chrom-VI-

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kurze Kupplung mit hoher Torsions- steife ist verschleiß- und wartungsfrei. Die beidseitig angebrachte, montagefreundliche Klemmnabe verbindet Welle und Kupplung spiel- frei und kraftschlüssig. Die Naben lassen sich ohne zusätzliche Werk- zeuge aufweiten. Die Kupplung eig- net sich für Anwendungen im Freien, im Vakuum oder im Wasser.

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ermöglicht Anschlussspannungen bis 1.000 V, es gibt ihn in verschiedenen Zündschutzarten Ex e und Ex d.

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Armaturen

Dass der SIL-Nachweis von Sicherheitseinrichtungen jede Menge Fallstricke bietet, ist bekannt. Richtig knifflig wird es, wenn der Sicherheitskreis nicht nur elektrische Kom- ponenten, sondern auch mechanische Bestandteile wie Armaturen und deren Antriebe umfasst. Dennoch gibt es Möglichkeiten, sich dem Thema zu nähern.

Sicherheitskritische Prozessanlagen werden heutzu- tage standardmäßig mit sicherheitstechnischen Syste- men (SIS – Safety Instrumented Systems) abgesichert.

Ziel dieser Systeme ist es, einen aus dem Ruder laufenden Prozess, den die normale Prozessleittechnik nicht mehr beherrschen kann, automatisiert zu erkennen

und ebenso automatisch Maßnahmen einzuleiten, die einen Störfall vermeiden.

Zu einem SIS gehören im einfachsten Fall die fol- genden Komponenten:

● Ein oder mehrere Sensoren, die Prozessgrößen mes- sen, um den Prozess zu überwachen.

● Eine Logikeinheit (z. B. eine SPS), die diese Daten analysiert und entscheidet, wann und in welcher Form das SIS eingreifen muss, um einen gefährlichen Zustand zu vermeiden.

● Ein oder mehrere Aktoren (z. B. ein Stellantrieb mit Armatur), mit denen entsprechend in den Prozess einge-

SIL-Nachweis für Armaturen und -antriebe

Mechanik funktional sicher

Der Autor:

Dr. Jörg Isenberg ist Produktspezialist Funktionale Sicher- heit im Produkt- management bei Auma Riester

PROFI-GUIDE Branche Anlagenbau ● ●

ENTSCHEIDER-FACTS

Für Planer und Betreiber

● Bei der Bewertung von mechanischen Komponenten gemäß IEC 61508 gibt es bis heute kein allgemein anerkanntes, einheitliches Vorgehen zur Bestimmung der Ausfallraten.

● Bei neuen Komponenten empfiehlt sich die Kombination eines Typentests im Labor mit einer Berechnung der Ausfallraten anhand einer FMEDA auf Grundlage von Bauteil-Ausfallraten aus anerkannten Tabellenwerken.

● Wenn Einsatzerfahrungen vorliegen, können die in der Regel konservativen Ausfallraten in obigem Vorgehen nach einigen Jahren durch Felddaten ersetzt werden.

Chemie ● ● ●

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Prozesstechnik und Automotivebranche haben auf den ersten Blick nur wenig Gemeinsamkeiten – doch beim Thema funktionale Sicherheit kennen

beide kein Pardon.

Bild: pi^x4U - Fo^tolⁱa

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Armaturen SPECIAL

griffen werden kann. Die Prozessüberwachung ist teil- weise berührungslos mit rein elektronischen Sensoren möglich. Häufig haben die Sensoren aber auch mechanische Komponenten und direkten Medienkontakt.

Spätestens bei der Aktorik erfolgt der Prozesseingriff in aller Regel durch eine nicht-elektrische, z. B. mechanische Komponente.

Die relevanten Normen für sicherheitstechnische Systeme sind die IEC 61508 als generische Grundnorm sowie als relevante Norm für Komponenten und die IEC 61511 für den Errichter und Betreiber der Prozess- anlage. Diese sind primär für elektrische, elektronische und programmierbar elektronische Komponenten ge- schrieben. Entsprechend sind Vorgehensweisen, Bei- spiele, Checklisten usw. auf die Gegebenheiten bei elektrischen Systemen zugeschnitten. Für andere Kom- ponenten und Systemteile sind sie an vielen Stellen nicht passend.

Wie soll man also mit nicht-elektrischen Teilen von sicherheitstechnischen Systemen umgehen? Oder kann man bei der Betrachtung zur funktionalen Sicherheit am Leistungsschütz aufhören?

Mechanische Komponenten und die IEC 61508 Es erscheint in keinem Fall sinnvoll, bei der Betrachtung eines SIS nur den elektrischen Teil zu berücksichtigen, wenn andere Komponenten zum Erreichen des Schutz- ziels notwendig sind. Was nützt es, wenn der Schütz im Stellantrieb zwar geschaltet hat, aufgrund einer gebro- chenen oder festsitzenden Armaturenwelle sich die Ar- matur aber nicht bewegt und somit z. B. weiterhin Gas in einen Brandherd hineinströmt? Aus diesem Grund müssen alle Komponenten, die notwendig sind, um das Schutzziel der sicherheitstechnischen Funktion zu erreichen, in die SIL-Betrachtung mit einbezogen werden.

Folgerichtig wird in der Einleitung beider Normen auf

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Ein SIS besteht immer mindestens aus einem Sensor (1), einer Logik- einheit (2) und einem Stellglied (3), hier einem Stellantrieb mit Armatur. Selbstver- ständlich sind auch deutlich komplexere Systeme möglich.

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Ist es realistisch, dass ein kom- pletter Stellan- trieb weniger Ausfälle hat als ein einzelner Transistor oder ein einzelner O-Ring?

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Armaturen

Special

die Notwendigkeit, nicht-elektrische Teilsysteme zu be- trachten, hingewiesen und gesagt, dass die Norm „…

auch einen Rahmen bereitstellen [kann], innerhalb des- sen sicherheitsbezogene Systeme basierend auf anderen Technologien betrachtet werden können“ (Einleitung DIN EN 61508-1:2011). Leider werden jedoch keine präzisen Angaben gemacht, wie dies zu erfolgen hat. In der Praxis hat sich daher eine erhebliche Bandbreite an Methoden entwickelt, die zu ebenso unterschiedlichen Ergebnissen führt. Bei der Qualifizierung eines SIS sind drei Hauptkriterien zu erfüllen:

●

● die systematische Eignung,

●

● die Systemarchitektur des SIS und

●

● die voraussichtliche Versagenswahrscheinlichkeit der Sicherheitsfunktion (PFD).

Entsprechend müssen Komponenten, die in einem SIS eingesetzt werden sollen, entweder diese Forderun- gen erfüllen, oder es müssen Informationen vorgelegt werden, die es erlauben, auf (Teil-)systemebene die Erfüllung zu beurteilen.

Bei der systematischen Eignung (Vermeidung von Fehlern wie falsche Dimensionierung, fehlerhafte War- tung usw.) können die in der IEC 61508/IEC 61511 beschriebenen Prinzipien für elektrische Komponenten leicht auf mechanische Komponenten übertragen werden. Gleiches gilt für die Anforderungen an die System- architektur des SIS: Die bei elektrischen Systemen ge- wohnte Vorgehensweise kann unmittelbar auf mechanische Elemente übertragen werden. Wird Pfad 1_H verwendet, kann es bei mechanischen Komponenten allerdings schwierig sein, die in der IEC 61508 gestellte Mindestanforderung zur Safe Failure Fraction (SFF) zu erreichen.

Ausfallraten mechanischer Komponenten – woher nehmen?

Kritischster Punkt bei mechanischen Komponenten ist die Bestimmung der Ausfallraten (λ_S, λ_DU und λ_DD), aus

denen dann mit den gleichen Verfahren wie bei elektrischen Komponenten die PFD sowie ggfs. die SFF be- rechnet werden. Bei elektrischen Komponenten gibt es hierfür ein allgemein akzeptiertes Standardvorgehen:

Aus Tabellenwerken (z. B. der SN29500) werden für alle Einzelbauteile der Schaltung Ausfallraten und zugehöri- ge Fehlermodi (z. B. Kurzschluss) gewonnen. Im Rah- men einer FMEDA (Failure Modes Effects and Diag- nostic Analysis) wird für jeden Fehlermodus jedes Bau- teils bestimmt,

●

● ob er zu einem Ausfall der Sicherheitsfunktion führt,

●

● ob dieser Ausfall gefährlich oder sicher im Sinne der funktionalen Sicherheit ist,

●

● und ob eine evtl. vorhandene Diagnoseeinrichtung in der Lage ist, ihn zu detektieren.

Aus dieser FMEDA und den Ausfallraten der Bau- teile werden dann λ_S, λ_DU und λ_DD der Komponente er- mittelt.

Dieses Verfahren kann grundsätzlich auch auf mechanische Komponenten übertragen werden. Proble- matisch ist hierbei jedoch, dass es – im Gegensatz zu elektrischen Komponenten – keine allgemein anerkannten Tabellenwerke gibt. Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Anwendungsbedingungen mechanischer Komponenten viel unterschiedlicher sind, als die elektrischer Komponenten. Bei Letzteren genügt es häufig, für die Bestimmung der Ausfallraten Tempera- tur, Spannung und Strom zu berücksichtigen. Bei mechanischen Komponenten kommen – unter anderem bedingt durch den unmittelbaren Medieneingriff – eine Reihe weiterer Parameter wie z. B. Druck, Vibrationen, Einfluss von Partikeln, Eigenschaften von Betriebs- und Umgebungsmedien usw. hinzu. Ein gutes Tabellen- werk, das allgemein gültig sein soll, muss jeweils „Worst Case“-Abschätzungen machen. Aus diesem Grund enthalten anerkannte Tabellenwerke wie z. B. das

„Component Reliability Handbook“ von Exida oder das

„Oreda Handbook“ von Sintef Ausfallraten, die deutlich höher sind, als sie typischerweise mit anderen Methoden bestimmt werden. In der Praxis haben sich im Wesentlichen drei Verfahren etabliert, um sicherheitstechnische Kennzahlen von mechanischen Kom- ponenten zu bestimmen:

●

● Verwendung von Daten aus Tabellenwerken,

●

● Verwendung von Felddaten,

●

● Labortests.

Wie bei elektrischen Komponenten werden die Ver- fahren i. d. R. mit einer FMEDA kombiniert, um den Anteil sicherer bzw. gefährlicher sowie durch Diagno- setests erkennbarer Fehler zu bestimmen.

Generische Daten aus Tabellen führen zu hohen Ausfallraten

Die beiden wesentlichen Vorteile der Anwendung von Daten aus Tabellenwerken sind, dass dieses Verfahren auch für neuentwickelte Komponenten anwendbar ist und dass es eine im Sinne der funktionalen Sicherheit konservative Abschätzung der Fehlerraten gewährleistet.

Letzterer Vorteil ist aber gleichzeitig auch – vertriebs- technisch – ein wesentlicher Nachteil dieser Methode:

Schätzt man die Fehlerrate eines Produkts Baugruppe für Baugruppe mittels Daten aus Tabellenwerken ab, so erhält man als Resultat oft Ausfallraten, die weit höher Der elektrische Stell

antrieb befindet sich an der Schnittstelle zwischen elektrischem und mechanischem Teil eines SIS.

Elektrischer Teil des SIS

Mechanischer Teil des SIS

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WIRTSCHAFTLICHE LÖSUNGEN

liegen, als die von Konkurrenzprodukten, die sich anderer Methoden bedient haben. Dies sei an einem Beispiel ver- deutlicht:

Im „Component Reliability Handbook 2^nd Edition“ werden O-Ringe je nach Einsatzart mit Ausfallraten von 10 bis 300 FIT bewertet (1 FIT = 1 Ausfall / 10⁹ Stunden). Hiervon sind 40 bis 50 % als „Major Leak“ zu werten, was meist einen gefährlichen Ausfall der Komponente nach sich zieht.

Somit muss sich der Anwender von Tabellenwerken für einen an einer kritischen Stelle platzierten O-Ring eine ge- fährliche Ausfallrate von ca. 5 bis 135 FIT anrechnen lassen. Gleichzeitig gibt es Zertifikate von Stellantrieben, die dem gesamten Stellantrieb gefährliche Ausfallraten von unter 25 FIT bescheinigen.

Felddaten erfordern Zeit und hohe Stückzahlen Die Verwendung von Felddaten zum Nachweis einer Be- triebsbewährung bietet oft die beste Möglichkeit, realistische Ausfallraten für das spezielle Produkt zu erhalten. Bei dieser Methode ist jedoch zu beachten, dass die Daten nur dann

realistisch sind, wenn der Prozentsatz rückgemeldeter Aus- fälle aus dem Feld seriös geschätzt werden kann und wenn die Einsatzbedingungen vergleichbar sind. Außerdem muss ein erheblicher Umfang an Felddaten vorliegen, um eine statistisch relevante Aussage treffen zu können. Die in der Anmerkung 2 zur DIN EN 61511-1 11.5.3.2 genannte Min- destanforderung von 100.000 Betriebsstunden ist für die Qualifizierung von Komponenten auf z. B. einem SIL3-Ni- veau bei Weitem nicht ausreichend. Hierfür werden mindestens Betriebszeiten von mehreren 10⁸ Stunden oder mehreren 10.000 Anforderungen der Sicherheitsfunktion (low demand mode) benötigt. Es ist leicht ersichtlich, dass solche Betriebszeiten erst nach einigen Jahren und nur bei in relativ großen Stückzahlen im Feld eingesetzten Geräten erreicht werden können.

Labortests – im Prinzip gut, aber oft praxisfern

Labortests sind ein hervorragendes Tool um die prinzipielle Eignung einer mechanischen Komponente für einen be- stimmten Einsatzzweck nachzuweisen. Ebenso ist es gut möglich, kritische Einflüsse gezielt nachzustellen. Kritischer ist die Anwendung von Labortests zu bewerten, wenn mit ihnen Ausfallraten von Komponenten oder Baugruppen bestimmt werden sollen:

Da die oben für die Betriebsbewährung genannten sta- tistischen Mindestanforderungen auch hier gelten, müssen Zeitraffertests durchgeführt werden, um zu realistischen Testzeiten und Schaltzyklenzahlen zu gelangen. Bei einem durch Verschleiß dominierten Ausfall einer Komponente ist dies gut möglich. Ebenso können Effekte wie Korrosion und temperaturbedingte Alterung durch Maßnahmen wie Salznebelsprühtests und Alterung bei erhöhter Temperatur

Schätzt man die Fehlerrate eines Produkts Baugrup- pe für Baugruppe mittels Daten aus Tabellenwerken ab, so erhält man als Resultat oft Ausfall raten, die weit höher liegen, als die von Konkurrenzprodukten, die sich anderer Methoden bedient haben.

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Armaturen

Special

Mehr Beiträge zum Thema finden Sie unter www.chemie technik.de/1609ct609 oder per QR-Code.

beschleunigt durchgeführt werden. Doch wie beschleunigt man Setzungserscheinungen bei Armaturen, die z.

B. nur einmal im Jahr betätigt werden? Diese Ausfallm- odi sind in Labortests nur schwer bzw. gar nicht nachzustellen. Testzyklen, die Setzungserscheinungen durch Schaltzyklen von z. B. einem Tag nachstellen wollen, entsprechen nicht dem praktischen Einsatz von reinen Sicherheitsarmaturen im „low demand mode“. Entspre- chend kritisch sind die ermittelten Ausfallraten zu hinterfragen.

Niedrige Ausfallraten durch exzessiven Fehlerausschluss?

Last but not least sei noch auf die Möglichkeit eingegan- gen, bestimmte Fehler auszuschließen. Dieses Verfahren ist nach IEC 61508 grundsätzlich zulässig, jedoch bleibt diese – im Gegensatz zur ISO 13849 – sehr vage bezüg- lich der anzuwendenden Kriterien. Die grundsätzliche Idee ist es nachzuweisen, dass bestimmte Bauteile (z. B.

eine Antriebswelle) frei von konstruktiven Fehlern sind und so stark überdimensioniert wurden, dass z. B. ein Bruch praktisch unmöglich ist. Dieser Fehler kann dann in der FMEDA unberücksichtigt bleiben.

Prinzipiell ist die Anwendung dieses Verfahrens ge- rechtfertigt, wenn alle normativen Bedingungen erfüllt sind und die ingenieursmäßige Erfahrung vorliegt, dass der fragliche Fehler in der Praxis nie vorkommt. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass andere Feh- lermodi desselben Bauteils sehr wohl auftreten können:

Bei obigem Beispiel einer stark überdimensionierten Abtriebswelle mag es wahrscheinlich sein, dass diese nicht bricht. Dies bedeutet aber nicht, dass die Welle z. B. nie blockiert, was für ein sicheres Schließen der Armatur ein gefährlicher Fehler ist!

Besonders kritisch wird es, wenn Fehlerausschlüsse bei der Bewertung eines Produktes exzessiv verwendet werden. Es gibt Zertifikate, nach denen z. B. ein kompletter pneumatischer Stellantrieb für die Sicherheits- funktion „Fahren in die Sicherheitsposition“ eine Aus-

fallrate (λ_S+λ_DU+λ_DD) von <1,5 FIT hat. Es liegt nahe, dass so ein Wert nur durch eine erhebliche Anzahl an Fehlerausschlüssen erreicht werden kann. Zum Ver- gleich: Laut Exida Handbuch hat ein einzelner O-Ring eine Ausfallrate von 10–300 FIT und laut SN 29500 ein einzelner bipolarer Universaltransistor von 3 FIT (Ba- siswert). Ist es realistisch, dass ein kompletter Stellan- trieb weniger Ausfälle hat als ein einzelner Transistor oder ein einzelner O-Ring? Fehlerausschlüsse sollten immer nur in wenigen, begründeten Einzelfällen verwendet werden und nicht zur „Regelbewertung“ von Bauteilen eines Produktes werden.

Fazit: Bei der Bewertung von mechanischen Kompo- nenten gemäß IEC 61508 gibt es bis heute kein allgemein anerkanntes, einheitliches Vorgehen zur Bestim- mung der Ausfallraten. Verschiedene Methoden führen zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Bei neu entwickelten Komponenten empfiehlt sich die Kombination eines Typentests im Labor zum Nachweis der grund- sätzlichen Eignung für den Einsatzzweck mit einer Be- rechnung der Ausfallraten anhand einer FMEDA auf Grundlage von Bauteil-Ausfallraten aus anerkannten Tabellenwerken. Dieses Vorgehen wird in aller Regel zu einer konservativen Abschätzung der Ausfallraten füh- ren. Wenn hinreichende Einsatzzeiten in realen An- wendungen und eine qualitativ hochwertige Erfassung von Fehlern im Feld vorliegen, können die Ausfallraten in obigem Vorgehen nach einigen Jahren durch Feldda- ten ersetzt werden. Auf die FMEDA und den Typentest sollte jedoch keinesfalls verzichtet werden. Fehleraus- schlüsse können für einzelne Fehlermodi eines Bauteils ein probates Mittel sein, sie sollten jedoch immer die Ausnahme bleiben.

Wünschenswert wäre eine Vereinheitlichung der Herangehensweise bei der Bewertung mechanischer Komponenten nach IEC 61508. Hier sind die großen Zertifizierungsorganisationen und die Normenarbeits- kreise aufgerufen, ein einheitliches Vorgehen abzustim-

men und festzulegen. ^●

4: Die TÜV-zertifizierten Stellantriebe von Auma sind für sicherheitsre- levante Anwendungen bis SIL3 (bei redundan- tem Systemaufbau) geeignet.

Bilder: Auma Riester